降雨條件下含大孔隙土柱水-氣兩相流試驗

丁輝，葉明，闕云

(福州大學土木工程學院，福建 福州 350108)

0 引言

大孔隙普遍存在于天然土壤中，其形成原因主要有生物因素和自然氣候因素等[1-2].但目前對于土壤中的大孔隙，仍沒有嚴格的定義，Beven和Germann指出大孔隙能傳導非平衡水流情況下的土壤孔隙結構[3].大孔隙流從20世紀70年代初就己引起關注，即土壤水分和溶質能夠繞過密度大、滲透性較差的土壤基質，而通過阻力較小的大孔隙路徑遷移，到達深層土壤甚至是地下水[4-5].相比較于非飽和滲流，大孔隙流存在以下特點：1) 大孔隙流的土壤水分滲流速度遠大于非飽和滲流，不適宜采用單一達西定律描述非均勻流[6]；2) 雖然大孔隙體積只占整個土壤體積的很小部分(2.5%～20%)，但對水及溶質在土壤中的非平衡運移有著深刻影響[7].

針對土壤中的大孔隙及大孔隙流問題，學者們進行了各種試驗研究.如Wang等[8]進行了室外染色示蹤試驗，通過直接在試驗地噴灑染色劑，待其完全滲入土體時再對土體進行開挖，以觀察剖面大孔隙流的路徑.秦耀東等[9]研究了大孔隙對農田耕作層飽和導水率的影響.Li等[10]對含有人工引導蚯蚓孔的填充土柱和均質填充土柱進行出流試驗，研究蚯蚓孔對溶質運移的影響.由于大多數試驗僅能夠進行大孔隙及大孔隙流的定性描述和形態學特征研究，為了定量地對大孔隙分析，學者們針對不同大孔隙的情況提出了各種描述大孔隙優先流的模型，如兩域模型、隨機模型、混合層模型、兩階段模型、多尺度平均模型以及混合模型等，為研究含大孔隙土中水及溶質運移做出了巨大貢獻[11].

但以上對大孔隙的研究絕大多數未考慮氣相的影響.事實上，土體的細觀結構往往決定著其宏觀響應的基本規律[12]，土是由固體顆粒、水、氣共同組成的三相體，因此對于含大孔隙土滲流問題的研究不應僅限于單相流，而應綜合考慮水-氣的共同作用.鑒于此，本文從基本的土柱模型試驗出發，通過自行設計實驗裝置并借助各類試驗設備，研究降雨條件下含大孔隙土柱水氣運移規律.

1 大孔隙模擬方法與試驗介質特性

1.1 大孔隙模擬方法

實驗室中經常采用原狀土柱來研究特定條件下的優先流和溶質運移規律，但土壤結構的復雜性阻礙了對所研究過程的明確洞察.為了更好地理解優先流過程，很多學者開始構建已知幾何結構的土壤大孔隙系統，即人工大孔隙[13-16].因此，本文采用人工制造大孔隙的方式對降雨條件下含大孔隙土柱水氣兩相流進行試驗研究.具體實現過程如圖1所示.

首先在相應位置埋入長度為45 cm直徑2 cm的空心不銹鋼管，并且填筑過程中全程封閉管口以防止填土過程堵塞管口；然后對土壤基質進行分層填筑并壓實；全部土層填土完畢；將直徑為2 mm的粗石英砂注入空心不銹鋼管中；緩慢朝同一個方向旋轉拔出鋼管，從而形成人工大孔隙.

1.2 試驗介質特性

試驗用土取自福建省漳州市廈蓉高速改擴建工程一標段路堤填土，通過篩分試驗測得土樣中粒徑2 mm以上顆粒所占比重(質量分數)達49.98%，屬于礫砂類土.剔除2 mm以上顆粒經重新篩分配制成試驗用土，其級配曲線如圖2所示.此外，底層反濾層采用1～3 cm卵石填鋪，大孔隙及上部防侵蝕層均采用2 mm石英砂填筑，如圖3所示.

圖2 試驗用土級配曲線Fig.2 Gradation curve of test soil

圖3 石英砂與卵石Fig.3 Quartz sand and pebble

2 試驗裝置與儀器

2.1 試驗裝置

設計如圖4所示的試驗裝置，其主要由模型箱主體、底座、降雨系統、數據監測系統及拍攝裝置五部分組成.其中，模型箱為30 cm×10 cm×80 cm的長方體，由8 mm厚有機透明玻璃制作，可保證模型箱的強度及氣密性，同時箱體的左側和背面分別開有4個直徑5 cm(等于土壤水分傳感器(TDR)直徑，用于布置水分傳感器)的圓孔，箱底開有3個直徑4 cm的圓孔(用于分析底部封閉與否對降雨條件下含大孔隙土中水氣運移的影響)；底座用于放置模型箱，由角鋼和鋼板制作，尺寸與模型箱相匹配，并且頂部開有25 cm×5 cm的長方形槽，防止阻礙模型箱底部氣體的流通.

圖4 試驗裝置Fig.4 Experimental facility

2.1.1 人工模擬降雨系統

采用南京南林電子科技有限公司研發生產的NLJY-10型號人工模擬降雨系統.該降雨系統主要由供水箱、壓力控制系統、降雨控制系統、雨量器、水管支架及噴頭等部分組成，見圖4.其中，降雨裝置共有

6個噴水點，間距為2 m，每個噴水點處有3個不同型號的噴頭，噴口直徑分別為1.5 mm、3.2 mm和5.0 mm，以模擬不同降雨強度；噴頭高度距地面6 m，以提高降雨均勻度，具體布置如圖5所示.

圖5 噴頭布置圖(單位：m)Fig.5 Installation of sprayers (unit:m)

試驗前需對降雨系統進行調試和降雨均勻度檢驗.在土柱模型降雨試驗范圍內均勻布置8個測點，將8個已編號的量程為500 mL的量筒分別置于各測點，以不同雨強分別進行試驗.記錄不同雨強下各測點處量筒內搜集雨量，并計算降雨均勻度.其計算式為：

(1)

2.1.2 數據監測系統

數據監測系統主要由3大部分組成，分別為土壤水分監測系統、孔隙水壓力監測系統和孔隙氣壓力監測系統.土壤水分采用PC-2SQ土壤水分監測控制儀,通過連接TDR-3型土壤水分傳感器(量程0%～100%(體積分數)，精度±2%)進行監測；孔隙水壓力采用UT7110型靜態應變儀鏈接CYY2型應變式孔隙水壓力計(量程0～30 kPa，精度<1% FS)進行監測；孔隙氣壓力采用U型壓力計連接玻璃導管進行人工監測，模型箱底部包有防水透氣膜，防止水分進入管內影響測量精度.所有的設備均已提前校準.

2.2 儀器與布局

如圖6所示為模型箱詳細尺寸與傳感器布置圖.其中模型箱設計為長方體主要考慮到兩個因素：1) 為了實現同時分別監測大孔隙和土壤基質各參數隨著降雨的變化，TDR探針長度為7 cm，采用矩形截面易于從背面和側面分別監測到大孔隙和土壤基質的含水率變化；2) 為了更直觀地觀察到大孔隙存在對降雨條件下濕潤鋒變化的影響，采用矩形截面既不影響對大孔隙含水率的測量，又可清晰觀察到大孔隙存在時濕潤鋒變化.

如圖6(b)，模型箱底部鋪有2 cm厚卵石墊層，防止直接填土堵塞底部孔洞；上部覆有2 cm厚2 mm石英砂，用于減小降雨對表層土的侵蝕作用.中間部分填筑試驗用土，并每隔15 cm厚布置一層傳感器；每層傳感器布置分為緊鄰和遠離大孔隙兩種，其中緊鄰大孔隙布置的傳感器，視其監測的為大孔隙數據，遠離大孔隙布置的傳感器所監測的數據則為土壤基質數據.各傳感器在截面上的布置及人工大孔隙埋設位置,如圖6(c)所示.

圖6 模型箱尺寸及傳感器布置圖(單位：cm)Fig.6 The size of model box and layout of sensors (unit:cm)

3 試驗方案與流程

3.1 試驗方案

試驗共分5個工況，通過不同工況分別研究大孔隙存在與否、底部邊界條件,以及降雨強度對土中水氣運移的影響，試驗工況如表1所示.

表1 試驗工況Tab.1 Test conditions

3.2 試驗流程

控制填土壓實度為80%，按5 cm每層進行分層填筑，共計15層.通過計算即每層填土重量為2.36 kg，當填土由下至上填至相應位置埋設相應傳感器.試驗中大孔隙采用2 mm石英砂進行模擬，具體有如下4個主要試驗流程(見圖1).

1) 用馬克筆在模型箱表面標記傳感器擬埋設位置及每層填土高度；依據試驗工況考慮是否封閉模型箱底部孔洞；在模型箱內壁涂抹凡士林以減小邊界效應等.

2) 在模型箱底部鋪設一張鋼絲網以防止卵石從底部漏出，并通過鋪設3 cm厚卵石層以保持空氣流通，再按照標記進行分層填土及埋設傳感器，填至頂部處鋪設2 cm厚石英砂以防止降雨對土體表面的侵蝕.

3) 將傳感器連接于數據采集系統，架設相機并設置每5 min拍攝一次.

4) 開始降雨試驗并記錄試驗數據.

4 試驗結果與分析

4.1 不同工況下含水率變化

土壤含水率變化規律可近似通過濕潤鋒變化直觀地體現出來.如圖7所示，分別為無大孔隙和有大孔隙在降雨強度35 mm·h-1情況下某一時刻濕潤鋒的形態.可見大孔隙的存在可明顯加快水分入滲速率，并且導致入滲速率的不均勻性，大孔隙附近水分入滲速率明顯較快，即產生優先流.

圖7 濕潤鋒形態對比Fig.7 Comparison of wetting front morphology

各工況下濕潤鋒深度隨降雨時間變化曲線如圖8所示.對比工況1、2可知，在35 mm·h-1降雨強度下，前45 min大孔隙的存在與否對濕潤鋒變化幾乎沒有影響，45 min開始有大孔隙的情況下濕潤鋒深度迅速增加，說明該時刻開始產生優先流；對比工況2、3可知，同一時刻模型箱底部邊界開通時濕潤鋒深度均大于封閉狀態，并且在濕潤鋒深度到達大孔隙底部之前兩者變化趨勢相同，但到達大孔隙底部之后底部封閉情況下濕潤鋒深度增加緩慢，而底部開通下濕潤鋒深度仍繼續增大，增加速度與未產生優先流時基本相同(曲線斜率與降雨初始時曲線斜率基本相同)，說明模型箱底部邊界封閉會阻礙水分的入滲；對比工況2、4、5可知，降雨強度較小時，降雨需持續一段時間才會出現優先流，而降雨強度較大時降雨初期就會形成優先流，這是因為水分沿著大孔隙通道迅速向土體深處滲流.這與Hendrickx等[17]關于土壤大孔隙優先流產生機理的描述相一致，即當降雨總輸入水量大于土壤基質的入滲能力時，將產生短距離、短歷時的地表水流，當水平地表水流流經大孔隙入口時，將沿著大孔隙路徑以大孔隙流的形式迅速向土層深處滲流，即產生大孔隙優先流.

圖8 濕潤鋒深度隨時間變化規律Fig.8 Variation of wetting front depth with time

圖9則詳細描述了30 cm深度處大孔隙和土壤基質含水率隨降雨時間變化規律(圖中m表示土壤基質，f表示大孔隙).由于濕潤鋒深度的變化體現的主要是大孔隙含水率變化，因此大孔隙含水率變化與濕潤鋒變化規律基本一致.對于土壤基質域，其含水率變化響應時間均慢于大孔隙，而各工況之間變化規律與大孔隙域相似，這是因為大孔隙存在情況下水分以優先流的形式更快地到達土壤深處，同時沿著大孔隙壁以相對較慢的速度向土壤基質周圍滲流.土壤基質域含水率變化受兩種因素影響，一方面受其本身在豎直方向上滲流速度的影響，另一方面受大孔隙中水分在水平方向上向其滲透速度的影響，這也解釋了為什么大孔隙的存在會使土柱濕潤鋒呈現漏斗狀.

圖9 30 cm深度處含水率隨時間變化規律Fig.9 Variation of water content with time at the depth of 30 cm

4.2 不同工況下孔隙水壓力變化

圖10、圖11分別為15 cm和45 cm處孔隙水壓力隨降雨時間變化曲線.由圖10、11可見，各工況下孔隙水壓力在15 cm深度處僅在大孔隙域相差較大，在基質域幾乎沒有變化，但在45 cm深度處兩者孔隙水壓力變化均較大.

基于前文分析，土壤基質域含水率變化受兩方面因素綜合影響.對于淺層土的基質域(圖10(a)，15 cm深度)，由于其基本僅受自身豎直向滲流的影響，因此在各工況下其孔隙水壓力變化不大;而對于較深層土的基質域(圖11(a)，45 cm深度)，主要受來自大孔隙中水分在水平方向滲流的影響，故各工況下孔隙水壓力變化明顯.參照工況1，如沒有大孔隙存在時，降雨持時240 min時仍未監測到其孔隙水壓力的變化，其他各工況下孔隙水壓力變化也基本與含水率變化規律一致.

對于大孔隙域，由圖10(b)可知，工況1、2、3孔隙水壓力變化基本相同，因為在降雨強度較小的情況下，水分入滲至較淺層位置時，未產生優先流，并且模型箱底部邊界封閉與否對其孔隙水壓力變化也基本沒有影響；對比工況4、5可知，增大降雨強度可明顯加快孔隙水壓力響應時間，并且孔隙水壓力最大值也略有增加.因為在較大雨強下優先流形成時間更早，水分以更快的速度到達監測點.由圖11(b)，由于監測點位置較深，對比工況1、2可知，大孔隙的存在可明顯加快孔隙水壓力響應時間；對比工況2、3可知，模型箱底部邊界封閉與否對大孔隙孔隙水壓力變化基本沒有影響；比對工況2、4、5可知，增大降雨強度可加快孔隙水壓力變化響應時間.

圖10 15 cm深處監測點孔隙水壓力變化Fig.10 Variation of pore water pressure at the depth of 15 cm

圖11 45 cm深處監測點孔隙水壓力變化Fig.11 Variation of pore water pressure at the depth of 45 cm

4.3 不同工況下孔隙氣壓力變化

如圖12、圖13分別為15和45 cm處孔隙氣壓力(相對氣壓)隨著降雨時間變化的曲線.可見,各工況下除大孔隙域孔隙氣壓力值小于基質域,以及響應時間快于基質域外，其變化趨勢與基質域基本相同.因為降雨入滲過程中，若忽略水和空氣之間的互溶，可看作是水驅替氣的過程.對于大孔隙域，降雨入滲過程中氣體更容易通過較大孔隙逃逸，因此相同條件下大孔隙域孔隙氣壓力小于基質域孔隙氣壓力，因為較大的孔隙氣壓力對水分入滲有一定的阻滯作用[18]，恰好解釋了為什么大孔隙域滲流速度快于基質域.

圖12 15 cm深處監測點孔隙氣壓力變化Fig.12 Variation of poreair pressure at the depth of 15 cm

圖13 45 cm深處監測點孔隙氣壓力變化Fig.13 Variation of pore air pressure at the depth of 45 cm

同時，由圖12、13可以發現，除模型箱底部邊界開通外，其他各曲線整體變化趨勢基本相同.因為當模型箱底部邊界封閉時，氣體只能由模型箱上部排出，當某點處氣壓大于其上部水壓時，便以氣泡的形式由模型箱上部溢出.因此，試驗前期孔隙氣壓力會出現波動現象，直至試驗后期氣體無法突破水壓而逸出，水也基本無法繼續入滲.這與圖8中后期濕潤鋒深度增加緩慢相對應，最終氣壓與水壓基本處于相對平衡的狀態.當模型箱底部邊界開通時，氣體既可以沿著模型箱上部排出，也可以沿著模型箱底部排出，因此其孔隙氣壓力曲線一直呈現波動狀態，且其濕潤鋒深度一直不斷增大.

此外，通過對比工況2、4、5可知，隨著降雨強度的增大，無論是基質域還是大孔隙域的孔隙氣壓力響應時間均有所縮短，并且最終的穩定值也有所提高，尤其對于基質域.以45 cm深度處為例，降雨強度35 mm·h-1時氣壓穩定值約為0.85 kPa，而當降雨強度增加至135 mm·h-1時氣壓為定值,增加至1.02 kPa，增加了20%.這是因為降雨強度越大形成優先流時間越早，水分入滲速度越快，所以孔隙氣壓力響應時間也越快，并且在大雨強下由于來水速度大于土壤入滲速度，土體表面會形成積水現象，因此孔隙氣壓力最終的穩定值也會有所提高.

5 結語

1) 大孔隙的存在明顯加快降雨水分入滲速率，且導致入滲速率不均勻，土柱濕潤鋒呈現漏斗狀，大孔隙附近水分入滲速率明顯較快(即產生優先流).同時降雨需持續一定時間才會產生優先流.

2) 模型箱底部邊界開通與否，主要影響孔隙氣壓力變化.底部開通有利于氣體排出，總體上降低孔隙氣壓力，使孔隙氣壓力處于波動狀態，更有利于水分入滲.

3) 大孔隙存在情況下，增加降雨強度可加快優先流產生，使水分沿大孔隙快速入滲至土壤深層，同時沿大孔隙壁向周圍基質擴散.當降雨強度大于水分入滲速度時，將在土體表面形成積水，一定程度上增加孔隙氣壓力.